(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
(i)  基板と、
(ii)  前記基板に気密に取り付けられたフードであって、前記基板と前記フードとの間にフード空間を規定するフードと、
(iii)  前記基板上に実装され、前記フードにより包囲される少なくとも1つの中間温度固体酸化物燃料電池スタックと、
(iv)  前記フード空間内への少なくとも1つのガス流入点を規定する少なくとも1つのガス流入口と、
(v)  前記フード空間の外部に配置され、酸化剤源及び前記少なくとも1つのガス流入口と流体連通し、前記ガス流入口を通じて前記酸化剤源から前記フード空間へ酸化剤を供給するように構成された予熱器とを備えた中間温度固体酸化物燃料電池スタック組立体であって、
前記燃料電池スタックの各々は、少なくとも3つの燃料電池スタック層を備え、前記燃料電池スタック層の各々は、少なくとも1つの中間温度固体酸化物燃料電池を備え、前記燃料電池の各々は、酸化剤流入端及び排出酸化剤流出端を規定し、
前記少なくとも1つの燃料電池スタックは、
(a)  前記少なくとも1つの燃料電池スタックの開放多岐管端を規定する少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口と、
(b)  少なくとも1つの内部多岐管ガス流出口とを有し、
前記フード空間への前記少なくとも1つのガス流入点は、前記少なくとも1つの燃料電池スタックの前記開放多岐管端から離れた位置に配置され、これにより、使用時に酸化剤が前記少なくとも1つのガス流入口を通って前記フード空間に入り、前記少なくとも1つの燃料電池スタックの外側付近を通って前記少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口へ移動し、前記酸化剤が前記開放多岐管ガス流入口に入る前に、前記酸化剤と前記燃料電池スタック層の外面との間で直接的な熱伝導が起こり、
前記予熱器は、使用時に、前記酸化剤源からの酸化剤が加熱されて、前記少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口に最寄の前記燃料電池の流入端における使用時の動作温度と比べて100℃以下の温度だけ低い温度で、前記少なくとも1つのガス流入口を通じて前記フード空間に供給されるように構成され、
前記少なくとも1つの中間温度固体酸化物燃料電池スタックは、前記基板に最寄の燃料電池スタック層から、前記基板から最も離れている燃料電池スタック層までの高さXを規定し、
前記少なくとも1つのガス流入点は、前記基板に最寄の前記燃料電池スタック層上の高さYの位置に配置され、ここに0.25X≦Y≦0.75Xであり、
前記中間温度固体酸化物燃料電池スタック組立体が、450〜650℃の使用時動作温度を有する
ことを特徴とする中間温度固体酸化物燃料電池スタック組立体。
【請求項２】
前記フードの部分として配置された流入ガス予熱器を備えていないことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項３】
前記少なくとも1つの中間温度固体酸化物燃料電池スタックは、金属担持中間温度固体酸化物燃料電池スタックであることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項４】
前記少なくとも1つの燃料電池スタックは、少なくとも1つの内部多岐管燃料流入口を追加的に備えていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項５】
前記少なくとも1つの内部多岐管ガス流出口は、内部多岐管排出燃料流出口であり、
前記少なくとも1つの燃料電池スタックは、少なくとも1つの内部多岐管排出酸化剤流出口を追加的に備えていることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項６】
前記少なくとも1つの内部多岐管ガス流出口は、少なくとも1つの内部多岐管式の排出燃料と排出酸化剤との混合物流出口を備えていることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項７】
前記少なくとも1つの燃料電池スタック層の外面は少なくとも１つの突起を追加的に備え、前記突起は、使用時に当該突起とガスとの間に熱伝導が生じるように構成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項８】
前記フードの少なくとも1つの内面及び前記少なくとも1つの燃料電池スタック層の外面は、使用時に乱流を発生させるように構成された少なくとも1つの突起を備えていることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項９】
前記少なくとも1つの中間温度固体酸化物燃料電池スタックは、金属担持されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１０】
前記少なくとも1つのガス流入口内に存在するか、前記少なくとも1つのガス流入口との直接的な熱伝導があり、前記フード空間内または前記基板内に含まれる電気加熱装置を追加的に備えていることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１１】
前記電気加熱装置用の制御手段をさらに備えていることを特徴とする請求項10に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１２】
使用時に前記少なくとも1つのガス流入口に向けて流れるか、前記少なくとも1つのガス流入口を通って流れる酸化剤の温度、又は前記フード空間内の選択点における酸化剤の温度を測定するための温度センサをさらに備えていることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１３】
請求項1〜12に記載の燃料電池スタック組立体を備えた燃料電池スタックシステム組立体。
【請求項１４】
中間温度固体酸化物燃料電池スタック組立体の動作方法であって、前記燃料電池スタック組立体は、
(i)  基板と、
(ii)  前記基板に気密に取り付けられたフードであって、前記基板と前記フードとの間にフード空間を規定するフードと、
(iii)  前記基板上に実装され、前記フードによって包囲された少なくとも1つの中間温度固体酸化物燃料電池スタックと、
(iv)  前記フード空間内への少なくとも1つのガス流入点を規定する少なくとも1つのガス流入口と、
(v)  前記フード空間の外部に配置され、酸化剤源及び前記少なくとも1つのガス流入口と流体連通し、前記酸化剤源から前記ガス流入口を通じて前記フード空間へ酸化剤を供給するように構成された予熱器とを備え、
前記燃料電池スタックの各々は、少なくとも3つの燃料電池スタック層を備え、
前記燃料電池スタック層の各々は、少なくとも1つの中間温度固体酸化物燃料電池を備え、
前記燃料電池の各々は、酸化剤流入端及び排出酸化剤流出端とを規定し、
前記少なくとも1つの燃料電池スタックは、
(a)  前記少なくとも1つの燃料電池スタックの開放多岐管端を規定する少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口と、
(b)  少なくとも1つの内部多岐管ガス流出口とを有し、
前記フード空間への前記少なくとも1つのガス流入点は、前記少なくとも1つの燃料電池スタックの前記開放多岐管端から離れた位置に配置され、
前記少なくとも1つの中間温度固体酸化物燃料電池スタックは、前記基板に最寄の前記燃料電池スタック層から、前記基板から最も離れた燃料電池スタック層までの高さXを規定し、
前記少なくとも1つのガス流入点は、前記基板に最寄の前記燃料電池スタック層上の高さYの位置に配置され、
ここに0.25X≦Y≦0.75Xであり、
前記方法は、
前記少なくとも1つのガス流入口を通じて前記フード空間内へ酸化剤を移動させるステップと、
前記酸化剤を前記少なくとも1つの燃料電池スタックの外側付近を通過させて前記少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口に移動させるステップとを備え、
前記酸化剤が前記開放多岐管ガス流入口に入る前に、前記酸化剤と前記燃料電池スタック層の外面との間で直接的な熱交換が発生し、
前記予熱器は、前記酸化剤源からの使用時の酸化剤が加熱されて、前記開放多岐管ガス流入口に最寄の前記燃料電池の流入端における使用時の動作温度と比べて100℃以下の温度だけ低い温度で、前記ガス流入口を通じて前記フード空間に供給されるように構成されており、
前記中間温度固体酸化物燃料電池スタック組立体が、450〜650℃の使用時動作温度を有する
ことを特徴とする中間温度固体酸化物燃料電池スタック組立体の動作方法。
【請求項１５】
前記少なくとも1つの中間温度固体酸化物燃料電池上で、酸化剤と燃料との電気化学反応を実行して、熱及び電気を発生するステップ
を更に備えていることを特徴とする請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
請求項14又は15のいずれかに記載の方法であって、前記燃料電池スタック組立体は、
(i)  前記少なくとも1つのガス流入口内に存在するか、前記少なくとも1つのガス流入口との直接的な熱伝導があり、前記フード空間内、あるいは前記フード又は前記基板内に含まれる電気加熱装置と、
(ii)  前記少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口に向けて流れる酸化剤温度を使用時に測定するように配置された少なくとも1つの温度センサと、
(iii)  制御手段とを備え、
前記電気加熱装置及び前記少なくとも1つの温度センサは、前記制御手段と電気的に通信し、
前記方法は、前記制御手段の制御下で、使用時に前記少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口において前記酸化剤が所望の温度に向けて加熱されるように、前記電気加熱装置により前記酸化剤のさらなる加熱を実行するステップをさらに備えていることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改良型の燃料電池スタック組立体、及び燃料電池スタック組立体の動作方法に関し、特に改良型ガス流及び熱管理に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書で用いる「燃料電池スタック組立体」という用語は、少なくとも1つの燃料電池スタックを意味する。少なくとも1つの燃料電池スタックの各々は、少なくとも1つの燃料電池、燃料及び酸化剤の流入／流出接続、並びに燃料及び酸化剤の流れ用の流路を備える少なくとも1つの燃料電池スタック層を備え、使用済み燃料及び酸化剤の流れ用には、燃料電池スタック基板及びこの燃料電池スタック基板に気密に取り付けられて燃料電池スタック基板との間にフード空間を規定するフード、フード空間内への少なくとも1つのガス流入口、並びに（フード空間内に配置されていない）予熱器を備える。燃料電池スタック組立体の他の随意的な構成要素は、燃料側封止組立体、酸化剤側封止組立体、端板及び圧縮システム、燃料電池スタック絶縁体、並びに必要に応じて電気的及び制御／監視接続を含む。
【０００３】
本明細書で用いる「燃料電池スタックシステム組立体」という用語は、燃料電池スタック組立体とシステム電子装置及び制御手段とを併せたものを意味する。他の随意的な構成要素は、（流入燃料が改質又は事前改質される場合は）改質器、水回収システム、水蒸気発生ユニット、熱交換器の流れの1つの相変化を随意的に伴う少なくとも1つの熱交換器、断熱材、起動バーナー、及び排ガス燃焼器を含む。
【０００４】
「システム電子装置」という用語は、随意的に一緒に又は離れて、燃料電池スタック組立体内又はその近くに配置された少なくとも1つの電子基板及び／又はユニットが存在し得る、制御電子装置及び／又はあらゆる電力用電子装置を含む。
【０００５】
「制御手段」という用語は、気体及び流体の制御バルブ及びポンプ、空気（酸化剤）送風機ユニット、及び安全装置を、必要に応じて入力及び検出手段と共に含む。
【０００６】
燃料電池スタック組立体は、流入酸化剤及び燃料を取り入れて、酸化剤生成物（本明細書では、排ガス流と称す。しかし、アノードオフ（排）ガス及びカソードオフガスとも称す。）、熱、及び電気をDC電流の形態で生成すべく動作する。全体的に、燃料電池スタックシステム組立体は、さらにシステム制御手段及びシステム電子装置を含む構成要素を備えることもできる。システム電子装置は、例えば、燃料電池のDC出力を第1の電圧から第2の電圧へ変換する、及び／又は、燃料電池のDC出力をAC波形へ変換する電力用電子装置を含む。
【０００７】
酸化剤対燃料の比率が1:1と20:1の間で燃料電池スタックを動作させることが一般的であり、5:1と15:1の間で動作させることがより一般的であり、8:1と12:1の間で動作させることがさらに一般的である。よって、通常の動作では、化学量論的に過剰な酸化剤ガスが燃料電池スタックを通って流れている。過剰な酸化剤のガス流は、一般に、燃料電池スタックの冷却を燃料電池の電気化学反応の近くで可能にするために用いられる。
【０００８】
改質ユニットが燃料の改質又は事前改質に用いられる場合は、効果的かつ効率的な改質プロセスを達成するために水蒸気改質触媒を用いることが一般的である。例えば、天然ガスなどのメタンベースの燃料を用いる場合、水蒸気対炭素の比率が2:1と3:1の間となることは特別なことではない。LPGなどのプロパンベースの燃料を用いる場合、長鎖炭化水素及び二重結合、例えばアルケンの割合などのＬＰＧの成分次第では、水蒸気対炭素の比率は5:1にまで高くなり得るが、水蒸気対炭素の比率が3:1と4:1の間となることは特別なことではない。ブタンベースの燃料ガスを用いる場合、水蒸気と炭素の比が4:1と5:1の間となることは特別なことではない。所定の改質器の設計に対して、改質器の動作中に水蒸気対炭素の比率を増加させることは、改質器の排気温度の減少をもたらす。
【０００９】
当業者にとって、燃料電池の動作効率は、燃料電池の電気化学反応点での局所的温度に関係することはよく知られている。燃料電池スタック組立体の動作中には、流入ガス流は燃料電池に入る前に加熱される―もし流入ガスのガス流が低すぎる温度で燃料電池に入ると、電気化学反応点での局所温度は低すぎることがあり、燃料電池の動作効率及び出力に悪影響があり得る。燃料電池スタックの温度の管理能力は、燃料電池スタックの動作効率及びその定格出力に相当の影響を及ぼす。燃料電池スタックが動作条件の広い範囲に渡って最も効果的な電気化学反応のための適切な温度を維持することを保証するために、多大な技術的労力が、燃料電池スタック、及びプラント構成要素及び制御プロセスのバランスを設計するに費やされた。代表的な動作条件は、システム起動、定常状態動作、動的な負荷変化、及びシステム停止を含む。
【００１０】
例えば、中間温度の固体酸化剤燃料電池（IT-SOFC）デバイスの場合、燃料電池スタック組立体内の燃料電池の電気化学反応は、450〜650℃の間の局所的燃料電池温度にて最も効率的に作用し得る。燃料電池スタックの動作温度は、一般に450〜650℃の間である。燃料電池スタックの効果的な動作のためには、燃料電池スタックの動作温度に近い温度に酸化剤及び燃料流入の流れを加熱することが望ましい。この温度は、例えば燃料電池スタックの動作温度（℃）の0〜20％以内であり、より好ましくは0〜10％以内であり、さらに好ましくは0〜5％以内である。このようなIT-SOFCの例は、金属担持セリア酸化ガドリニウム（CGO）ベースの電解質燃料電池を少なくとも１つ含む燃料電池スタックである。こうしたIT-SOFCシステムの例は、燃料電池スタック内に入る酸化剤ガス流を約480℃の温度に加熱することのできる熱交換システム（予熱器）を少なくとも1つ有することができる。燃料電池システムの一部の設計では、熱交換器システム出口での酸化剤ガス流温度が、要求される燃料電池スタック酸化剤ガス流の流入温度とほぼ同じになるように設計される。これにより、燃料電池流入酸化剤ガス流に対するさらなる熱交換が必要なくなる。代表的なIT-SOFCシステムでは、熱交換システム用の加熱ガスは、約510℃の熱交換システム流入温度を有することができる。燃料電池スタックに入る酸化剤ガス流の必要な温度（約480℃）と、約510℃の熱交換システム加熱ガス流入温度との間の低い熱ポテンシャルに起因して、熱交換器の設計は必然的に、大きなサイズと高い質量を有する。約1kW出力の燃料電池システム用のこのような熱交換システムの例は、高効率であるが、約3.5kgの重さの複雑かつ高コストの設計の熱交換ユニットである。
【００１１】
燃料電池スタック酸化剤ガス流を加熱するための熱交換システムは、少なくとも2つの熱交換器ユニットで作製することができる。少なくとも2つの熱交換ユニットは、燃料電池スタック酸化剤ガス流用の加熱流体として、少なくとも2つの燃料電池システムガス流（例えば、アノードオフガス流及び排ガスバーナーのオフガス流）を用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第5902692号明細書
【特許文献２】米国特許第6042956号明細書
【特許文献３】欧州特許第0580918号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第2005/0089731号明細書
【特許文献５】欧州特許第0377151号明細書
【特許文献６】米国特許第6670069号明細書
【特許文献７】米国特許第6866954号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第2001/0009732号明細書  （欧州特許出願公開第1120845号明細書）
【特許文献９】米国特許出願公開第2003/0235751号明細書
【特許文献１０】米国特許出願公開第2004/0043267号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第2005/0014046号明細書
【特許文献１２】米国特許出願公開第2005/0074659号明細書
【特許文献１３】米国特許出願公開第2006/0204796号明細書
【特許文献１４】米国特許出願公開第2006/0257696号明細書
【特許文献１５】米国特許第6942942号明細書  （欧州特許出願公開第1411571号明細書）
【特許文献１６】米国特許出願公開第2003/0235733号明細書  （欧州特許第1394883号明細書）
【特許文献１７】米国特許第7255157号明細書  （欧州特許出願公開第1460367号明細書）
【特許文献１８】国際公開第2008/104760号パンフレット  （英国特許第2447136号明細書）
【特許文献１９】米国特許第6794075号明細書
【特許文献２０】国際公開第2002/035628号パンフレット
【特許文献２１】国際公開第2003/075382号パンフレット
【特許文献２２】国際公開第2004/089848号パンフレット
【特許文献２３】国際公開第2005/078843号パンフレット
【特許文献２４】国際公開第2006/079800号パンフレット
【特許文献２５】国際公開第2006/106334号パンフレット
【特許文献２６】国際公開第2007/085863号パンフレット
【特許文献２７】国際公開第2007/110587号パンフレット
【特許文献２８】国際公開第2008/001119号パンフレット
【特許文献２９】国際公開第2008/003976号パンフレット
【特許文献３０】国際公開第2008/015461号パンフレット
【特許文献３１】国際公開第2008/053213号パンフレット
【００１３】
例えば米国特許第 5902692号（特許文献1）、米国特許第6042956号（特許文献2）、及び欧州特許第0580918号（特許文献3）の従来技術から、燃料電池スタックの流入ガス流の加熱を可能にする様々な熱交換の構成が、知られている。しかしながら、このような装置は複雑かつ高価であり、製造が困難であり、特に、ガス流の混合を防止するための密封を行うことの問題に直面し、熱交換の表面積が限られている。
【００１４】
米国特許出願公開第2005/0089731号（特許文献4）は、事前改質器及び統合型熱交換器と組み合わせた固体酸化剤燃料電池スタックの本質的な特徴を有するシステムを記載している。統合型熱交換器は、2つの熱交換器及びSOFCスタックのオフガス燃焼器を内蔵し、これらのすべてが断熱容器内に封入されている。
【００１５】
オフガス燃焼器から放出される熱エネルギーは、熱交換器内の熱源として用いられる。SOFCは、650〜850℃の動作範囲が公に記載されているが、750℃で動作することができるものとして説明する。燃料は、300〜600℃の温度で事前改質される（段落[0063]）。本明細書で説明する実施例のほとんどで、燃料及び空気の両方が、1つ以上の熱交換器内で、統合型熱交換器内の触媒燃焼器からの熱を用いて加熱され（段落[0079]）、又は燃焼器の熱及び燃料電池スタックから排出される空気又は燃料からの熱エネルギーを用いて加熱される（段落[0080]）。
【００１６】
図21及び22は、燃料ガスがスタックに直接供給される代わりに、燃料電池スタック自体に入る前に追加的な熱を得るためにスタックの周辺付近に供給される。しかしながら、この教示の詳細は、実現可能ではない。燃料は、燃料が燃料電池スタックに入る前に、300〜600℃の間で事前改質器から直接、燃料電池スタックの周りの空間へ供給される（395℃ - 段落[0125]）。燃料電池スタックは、650〜850℃の温度の燃料を必要とし、約750℃を最も必要とする。事前改質器を出た後と燃料電池スタックに入るまでの間でどのようにして燃料が十分な熱エネルギーを達成するかについての説明が無い。100℃を超える温度上昇を生じさせるためには、燃料は、十分な熱エネルギーを得るために、十分な時間だけスタック領域空間内にある必要がある。そして、このことがどのように達成されるのかについての示唆や教示が無い。さらに、どのようにしてスタックの周りの空間を構成し、断熱容器を形成する断熱材から抜けるガスを止めるためにどのようにこの空間を気密にするのかについての説明が無い。これは些細な事項ではない。なぜなら、高温及び水素を含む爆発性ガスの存在は、広範な動作温度範囲に渡って完全な気密を保証するために、大きな技術的な課題を生じさせる。このことは、スタック周辺と断熱容器の断熱材との間の空間内の650℃より高温の気体では、不可能であるかもしれない。
【００１７】
段落[0105]には、燃料電池スタックの周辺上の燃料を加熱する代わりに、燃料電池スタックの周辺上で空気を加熱することができることが記載されている。空気は、空気送風機から直接燃料電池スタックの周辺に供給されることが教示されている。前述したように、このことは可能ではない。第1に、空気は周囲温度付近の温度で周辺付近の空間に入り、少なくとも600℃だけ温度が上昇する必要がある。どのようにしてこのことを達成するかについて、示唆又は開示が無い。そして、もしこれが達成されなければ、燃料電池スタックは単に動作を停止するだけである。このような温度差のある空気を導入することによって燃料電池スタックの表面上へ導入される熱衝撃は、重度の局所的応力を与える。この局所的応力は、その領域内での燃料電池の能動構成要素の急速な局所的冷却を経て、及び／又は気密の完全性又はセラミック材料の完全性の損失を経て、スタックの故障及び／又はスタックの性能損失に至り得る。
【００１８】
よって米国特許出願公開第2005/0089731号（特許文献4）は本発明と関連するが、基本的にその開示に不備がある。
【００１９】
他の従来技術は、欧州特許第0377151号（特許文献5）、米国特許第6670069号（特許文献6）、米国特許第6866954号（特許文献7）、米国特許出願公開第2001/0009732号（欧州特許出願公開第1120845号）（特許文献8）、米国特許出願公開第2003/0235751号（特許文献9）、米国特許出願公開第2004/0043267号（特許文献10）、米国特許出願公開第2005/0014046号（特許文献11）、米国特許出願公開第2005/0074659号（特許文献12）、米国特許出願公開第2006/0204796号（特許文献13）、米国特許出願公開第2006/0257696号（特許文献14）、米国特許第6942942号（欧州特許出願公開第1411571号）（特許文献15）、米国特許出願公開第2003/0235733号（欧州特許第1394883号）（特許文献16）、米国特許第7255157号（欧州特許出願公開第1460367号）（特許文献17）、及び国際公開第2008/104760号（英国特許第2447136号）（特許文献18）を含む。
【００２０】
さらに、複数層の燃料電池を有する燃料電池スタックは、燃料電池の電気化学反応曲線に沿った温度勾配を有するだけでなく、スタックの高さ（基板に最寄の燃料電池スタック層から基板から最も離れた燃料電池スタック層までと定義する）全体に渡る温度勾配も有する。スタックの高さ全体に渡る温度の変化を最小化することが望ましい。これにより各燃料電池が大体同様に動作する。
【００２１】
スタック冷却の大部分は、酸化剤の流れ（一般に空気流）を用いて燃料電池の電気化学的活性領域から熱エネルギーを取り除くことにより、又は吸熱性の内部改質反応を用いて燃料電池の電気化学的活性領域から熱を取り除くことにより、達成される。
【００２２】
燃料電池スタックの設計については、燃料電池スタックの燃料電池層の温度はスタックの上端及び下端で（スタックの中心と比べて）わずかに低いことを想定する。なぜなら、燃料電池スタックの端部に隣接する燃料スタックの端板は、一般的に発熱性ではないため、隣接する燃料電池スタックの燃料電池層から熱を奪う熱シンクとして作用する。効果的なスタック設計及び周辺システム設計は、熱シンク効果を低減することができるが、依然として燃料電池スタックの動作中に顕著な影響が存在する。開放多岐管酸化剤流入口の設計が施された燃料電池スタックについては、燃料電池スタックの端部層への酸化剤流入温度は、中間での酸化剤流入温度より高いことが判っている。このことは、主に、燃料電池スタックの基板／端板から受ける付加的な熱による結果であることが判っている。
【００２３】
所定の燃料電池の設計に対して、電池が最適な電圧出力及び電流出力を生成する、規定の動作温度範囲がある。この温度範囲外で動作させることは、非最適な電池性能をもたらす。スタック全体に渡る温度差は、ある燃料電池と他の燃料電池との間の動作温度差が、これらの影響を受けた電池の電池動作性能に差異をもたらす場合にしか重要でない。電池動作性能の中のこの差異は、燃料電池スタック全体に渡る温度変化の結果として、燃料電池スタック出力の低減として現われ得る。よって、燃料電池スタックの全ての燃料電池が最適温度範囲内で動作することにより燃料電池スタックの出力を最適化するために、スタック全体に渡る温度差を制御することが望ましい。
【００２４】
このことを達成するための1つの方法は、スタック内の各燃料電池への酸化剤流入温度と燃料流入温度を制御することである。しかしながら、実際には、大量生産のための費用効果的なスタック設計は、共通の酸化剤及び燃料の、燃料電池スタック内の多数の電池への供給をもたらす。各燃料電池に別個の酸化剤流入を与えることは非現実的である。燃料電池スタック用の酸化剤流入構成の例は、内部多岐管燃料電池スタック設計における共通の流体供給多岐管である。 使用時には、このような多岐管は、スタックの熱終端効果によるスタック全長に沿った温度差を有する。多岐管の温度差が、特定電池の動作温度が効果的な動作範囲の温度外であるような燃料電池への流体流入温度を生じさせる場合、全体的な電池動作効率及び出力に影響を与え得る。
【００２５】
代案方法は、様々なスタック動作温度毎に燃料電池設計を異ならしめることである。この方法は、燃料電池の製造及び燃料電池スタック組立体の製造に、大量で低コストの方法をとる場合には望ましくない。ここで、燃料電池の単一設計は燃料電池スタックの全体を通して用いることが望ましい。
【００２６】
他の方法は、燃料電池スタック内への複数通りの酸化剤の供給を用いるものである。異なる供給は、異なる温度で酸化剤を供給するように設計された供給である。このことは、燃料電池スタック及び燃料電池スタック組立体の複雑性を増加させるとともに、燃料電池スタック動作制御に付加的な複雑性をもたらすため、望ましくない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本発明は、従来技術の欠点を克服することを追求する。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明によれば、中間温度固体酸化物燃料電池スタック組立体が提供され、この中間温度固体酸化物燃料電池スタック組立体は、
(i)  基板と、
(ii)  上記基板に気密に取り付けられたフードであって、上記基板とこのフードの間にフード空間を規定するフードと、
(iii)  上記基板上に実装され、上記フードにより包囲される少なくとも1つの中間温度固体酸化物燃料電池スタックと、
(iv)   上記フード空間内への少なくとも１つのガス流入点を規定する少なくとも1つのガス流入口と、
(v)  上記フード空間の外部に配置され、酸化剤源及び上記少なくとも1つのガス流入口と流体連通し、上記ガス流入口を通じて上記酸化剤源から上記フード空間へ酸化剤を供給するように構成された予熱器とを備え、各燃料電池スタックは、少なくとも3つの燃料電池スタック層を備え、各燃料電池スタック層は、少なくとも1つの中間温度固体酸化物燃料電池を備え、各燃料電池は酸化剤流入端および排出酸化剤流出端を規定し、
上記少なくとも1つの燃料電池スタックは、
(a)  上記少なくとも1つの燃料電池スタックの開放多岐管端を規定する少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口と、
(b)  少なくとも1つの内部多岐管ガス流出口とを有し、
上記フード空間内への上記少なくとも1つのガス流入点は、上記少なくとも1つの燃料電池スタックの上記開放多岐管端から離れた位置に配置され、これにより、使用時に酸化剤が上記少なくとも1つのガス流入口を通って上記フード空間に入り、上記少なくとも1つの燃料電池スタックの外側付近を通って上記少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口へ移動し、上記酸化剤が上記開放多岐管ガス流入口に入る前に、上記酸化剤と上記燃料電池スタック層の外面との間で直接的な熱伝導が起こり、上記予熱器は、使用時に、上記酸化剤源からの酸化剤が加熱されて、上記少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口に最寄の燃料電池の流入端における使用時の動作温度と比べて100℃以下の温度だけ低い温度で、上記少なくとも1つのガス流入口を通じて上記フード空間に供給されるように構成され、
上記少なくとも1つの中間温度固体酸化物燃料電池スタックは、上記基板に最寄の燃料電池スタック層から、上記基板から最も離れている燃料電池スタック層までの高さXを規定し、上記少なくとも1つのガス流入点は、上記基板に最寄の上記燃料電池スタック層上の高さYの位置に配置され、0.25X≦Y≦0.75Xである。
【００２９】
上記少なくとも1つの燃料電池スタックは、少なくとも5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、又は80個の燃料電池スタック層を備えることが好ましい。
【００３０】
上記少なくとも1つの流入点は、使用時に酸化剤ガスがフード空間に入る点であり、これにより酸化剤ガスがフード空間内に存在する酸化剤と混ざることができ、かつ少なくとも1つの燃料電池スタックの外部周辺から上記少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口へ通過することができる。
【００３１】
好ましくは、燃料電池スタック組立体は、フード空間へのいかなる付加的なガス流入点をも備えていない。この付加的なガス流入点は、上記基板に最寄の上記燃料電池スタック層上の高さYの位置に配置され、かつY＜0.25X、又はY＞0.75Xである。さらにこの付加的なガス流入点は、使用時に、高さYの位置に配置されかつ0.25X≦Y≦0.75Xである少なくとも1つのガス流入点からフード空間に入る酸化剤と同じ又はほぼ同じ温度でフード空間に酸化剤が入るように構成されている。実験の結果、ガス流入点を垂直方向の高さＹの位置に設け、Y＜0.25X、又はY＞0.75Xである場合、本発明で観測された改善された温度プロファイルは達成されなかった。
【００３２】
450〜650℃の範囲で動作する中間温度固体酸化物燃料電池（IT-SOFC）燃料電池スタック組立体では、（i）X＝0及びX＝1（基板に最寄の燃料電池スタック及び基板から最も離れた燃料電池スタック）の場合と（ii）X＝0.5（燃料電池スタック組立体の中間層）の場合との開放多岐管ガス流入口での酸化剤温度の差異が40℃まで変化し得ることが判った。このことは、明らかに望ましくない。
【００３３】
以下で詳細に説明し、かつ図10に示すように、必要な垂直方向の位置に少なくとも1つのガス流入点を設けることにより、少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口での温度変化が大きく低減される。このことは、基板に最寄の燃料電池スタック層及び基板から最も離れた燃料電池スタック層にて、特に明白であり、ここでは、理想的な流入温度からの逸脱が大幅に低減され、かつ幾つかの好適例では半分以下に低減されている。
【００３４】
この少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口での酸化剤温度の変化の低減は、動作効率及び出力に関して、燃料電池スタックの性能を大幅に向上させるとともに、隣接する燃料電池間と燃料電池スタック全体に渡る温度差を低減し、個々の燃料電池への機械的応力を低減することにより、動作寿命の延長を助けることができる。
【００３５】
Yの値を変化させたモデル化の結果及び実験データの両方が、0.25X≦Y≦0.75Xである場合の温度プロファイルの改善を確証し、特にYが約0.5Xである場合、（上記の）（i）及び（ii）における開放多岐管ガス流入口での酸化剤温度の差異が10℃未満に低減することができる場合、このことが燃料電池スタック組立体の性能の顕著な向上という結果をもたらしたことを裏付けている。
【００３６】
よって、0.3X≦Y≦0.7Xであることが好ましい。0.35X≦Y≦0.65Xであることがより好ましい。0.4X≦Y≦0.6Xであることがより好ましい。0.45X≦Y≦0.55Xであることがより好ましい。Yが約0.5Xであることがさらに好ましい。
【００３７】
上記予熱器は、受動型熱交換装置であることが好ましい。この予熱器は、熱交換器全体に渡って熱エネルギーを与える流体が、例えば、改質器を含む好適例では改質器排出流、又は排ガスバーナーからの排出流のような、燃料電池スタック組立体又はその構成部分からの排出流であり、熱交換器全体に渡って熱エネルギーを得る流体が酸化剤ガスであるように、設計されることが好ましい。
【００３８】
本発明は、使用時にフード空間に酸化剤を特定の温度範囲内で供給してフード空間内の加熱を達成することにより、多数の顕著な有利点を達成することを追求する。第1に、本発明は、燃料電池スタックに酸化剤が入る前に酸化剤を加熱するために用いる予熱器の構成要素の大きさ及び質量の大幅な低減を可能にし、同様に最終製品の大きさ及び費用の低減を可能にすることを追求する。少なくとも1つの燃料電池スタックの開放多岐管端から離れたフード空間内に酸化剤を供給し、酸化剤に少なくとも1つの燃料電池スタックの表面を冷却させ、代わりに酸化剤を加熱することにより、本発明は、少なくとも1つの燃料電池スタック全体に渡る温度勾配の大幅な低減を引き起こし、これによりその効率を増加させ、機械的応力を低減し、寿命を延ばすことを追求する。このことは従来技術に示唆も開示もされていない。
【００３９】
約1kWの出力の燃料電池システムに必要とされる熱交換システムに関する上記の例とは対照的に、熱交換システムを出る燃料電池スタックの酸化剤ガス流に要求される温度が約480℃から約455℃に低減されれば、熱交換流体間の熱ポテンシャルの増加は、熱交換システムに必要な効率が大幅に低減され、従って複雑性、費用、及び質量が低減されることを意味する。上記の1kW出力の燃料電池システムの例では、質量を約2.5kgにまで低減することができ、これはほぼ30％の低減である。同様に、このような熱交換システムの物理的寸法も、大幅に低減することができる。このことは、空間及び重量が頻繁に大きくなるあらゆる燃料電池スタックシステム組立体において、さらなる非常に望ましい特徴である。
【００４０】
使用時には、少なくとも1つの燃料電池を備える燃料電池スタックは、燃料電池の中で生成する電気化学的活性により熱、電気、及び水を生成する。燃料電池スタック構成要素の内部電気抵抗により、燃料電池スタック構成要素を通して電流が流れる時に、さらなる熱が生成される。このことは、燃料電池の温度及び燃料電池構成要素周辺の温度が、流入口から流出口へのガス流路に沿って増加することを意味する。よって、燃料電池スタックのガス（流体）流路の流入端での温度は、ガス（流体）流出端での温度より低いことがしばしば観測される。この温度差は、ガス流路に沿った温度勾配を生成し、燃料電池スタック及びその構成要素が、ガス流入端とガス流出端との間で異なる温度を有するという結果をもたらす。よって、燃料電池スタックの外面は、ガス流路の流入端（例えば、開放多岐管の流入端）とその流出端（例えば、内部多岐管の流出端）とで異なる温度を有し得る。
【００４１】
効率的な燃料電池スタック動作を可能にし最適化するために、燃料電池スタック内の温度勾配を最小化することが望ましい。燃料電池スタック内、すなわち燃料スタック層内の温度勾配を低減することは、燃料電池スタック構成要素に対する熱的に誘発される機械的応力を低減する。よって、燃料電池の電気化学的活性領域全体に渡る温度勾配を最小化することは、燃料電池の動作の有効性及び効率に有益なだけでなく、システムの複雑性を低減し、システムの全体的な費用を低減することもでき、さらにシステムの信頼性を向上することができる。
【００４２】
燃料電池スタック組立体は、上記フード空間内に配置される流入ガス予熱器又は熱交換システムを備えないことが好ましい。特に、フード及び／又は基板は、フード空間の内部に使用時低温側とフード空間の外部に使用時高温側とを有し、かつ燃料電池スタック組立体流体の流出口、特に燃料電池スタックの酸化剤側流出口との熱伝導がある熱交換器の熱交換面を備えないことが好ましい。上記フード空間内に配置されるこのような流入ガス予熱器は、酸化剤予熱器ではないことが最も好ましい。
【００４３】
予熱器は、使用時に上記酸化剤源からの酸化剤が加熱され、80℃以下の温度で上記少なくとも1つのガス流入口を介して上記フード空間に供給されるように構成されることが好ましい。上記温度は70℃以下であることがよりに好ましく、60℃以下であることがさらに好ましく、少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口に最寄の燃料電池の流入端での使用時動作温度より低い50℃以下であることがさらに好ましい。
【００４４】
明らかなように、異なるモード（例えば、起動、定常状態動作など）で動作する燃料電池スタック組立体によれば、予熱器が、少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口に最寄の燃料電池の流入端での使用時動作温度より高い温度で、フード空間へ酸化剤を供給することが可能である。
【００４５】
上記少なくとも1つの燃料電池スタックは、少なくとも1つの内部多岐管燃料流入口をさらに備えることが好ましい。
【００４６】
上記燃料電池スタックは、少なくとも内部多岐管排燃料流出口をさらに備えることが好ましい。
【００４７】
特定の好適例では、少なくとも1つの内部多岐管ガス流出口は、少なくとも1つの内部多岐管式の排出燃料と排出酸化剤との混合物流出口を備える。
【００４８】
「直接的な熱伝導」とは、酸化剤が、少なくとも1つの燃料電池スタックの外面に直接接触することを意味する。特に、この外面は、燃料電池スタック層の側面を含むことができる。この外面は、さらに相互接続板、スタック層ガスケット、又は非導電性のスペーサーなどの、付加的な燃料電池スタック構成要素の側面も含むことができる。
【００４９】
よって、直接的な熱伝導は、少なくとも1つの燃料電池スタックの外部からその上を通過する酸化剤へと行われ、これにより少なくとも1つの燃料電池スタックに酸化剤が入る前に、最後に必要な酸化剤の加熱を達成することができる。
【００５０】
フード空間内への少なくとも1つのガス流入点は、少なくとも1つの燃料電池スタックの開放多岐管端から離れた位置に配置される。フード空間内への少なくとも1つのガス流入点は、少なくとも1つの燃料電池スタックの開放多岐管端とは反対側の端に配置される。少なくとも1つの燃料電池スタックへの複数の開放多岐管がある場合、フード空間内への少なくとも1つのガス流入点は、開放多岐管から離れてかつ概ね等距離に配置することができる。
【００５１】
特定の好適例では、上記少なくとも1つのガス流入口は、単一のガス流入口を備える。代案の好適例では、上記少なくとも1つのガス流入口は、複数のガス流入口を備える。
【００５２】
特定の好適例では、上記少なくとも1つのガス流入口は、基板の中に配置する。代案の好適例では、少なくとも1つのガス流入口は、フード内に配置する。代案の好適例では、ガス流入口は、フードと基板の両方の中に配置する。様々な好適例、ガス流入口及びガス流入点の場所及び数量に対して、燃料電池スタック組立体は、ガス流入口からフード空間に入るガスの所望の流体分配を促進するために、上記少なくとも1つのガス流入口と流体連通するように配置された少なくとも1つのバッフル、特徴又は構成要素をさらに備えることが好ましい。特に、上記少なくとも1つのガス流入口が基板内に配置される実施例では、燃料電池スタック組立体の高温面全体に渡る流入ガス流の使用時の分布を助け、ゆえにフード空間内のあらゆる停滞気味の流体流領域を回避するのを助け、また、ガス流の不要なチャネリングを回避するのを助けるために、多岐管又は構成要素を設けることができる。流入ガス流の分配は、燃料電池スタックの不均一な面温度を考慮に入れて設計することができる。
【００５３】
フードは、少なくとも1つの燃料電池スタックとフードの内面との間に間隙空間で少なくとも1つの燃料電池スタックを包囲するように配置する。
【００５４】
好適例は以下に示す。少なくとも1つの燃料電池スタックの開放多岐管端から離れた位置に配置されるフード空間内へのガス流入口を有することにより、使用時の流入ガスは、開放多岐管端に達する前に少なくとも1つの燃料電池スタックの外面の周辺を流れるようになる。使用時の流入ガスは、開放多岐管端にて、少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口に入って少なくとも1つの燃料電池に移動することができる。
【００５５】
この構成は、従来技術の装置と比べて拡大された表面積上での少なくとも1つの燃料電池スタックと流入ガスとの間の熱交換を可能にし、よって単純かつ便利な燃料電池スタック組立体の設計により最終的に望まれる温度上昇を可能にする。
【００５６】
さらに、フード空間内への少なくとも1つのガス流入点は、少なくとも1つの燃料電池スタックの少なくとも1つの開放多岐管端から離れた位置に配置されているため、これは、一般に少なくとも1つの燃料電池スタックの少なくとも1つのガス流出端に隣接して配置され、このガス流出端は、動作中には一般に少なくとも１つの燃料電池スタックの最高温度領域である。したがって、フード空間へのガス流入点を通じて入る酸化剤と少なくとも1つの燃料電池スタックの隣接部分との間の熱ポテンシャルは高くなり、熱交換率は高くなる。このことは、熱交換が相対的に高い速度で行われることを意味する。フード空間内のガスが加熱され、より低温の少なくとも1つの燃料電池スタックの開放多岐管端に向かって流れる時、酸化剤と少なくとも1つの燃料電池スタックの隣接部分との間の熱ポテンシャルは低下し、熱交換率も低下し、より少ない熱交換が行われる。全体的に、このことは、より低温の少なくとも1つの燃料電池スタックの開放多岐管端でより少ない熱交換が発生し、より高温の離れた端でより多くの熱交換が行われることを意味する。このことは、燃料電池スタック全体に渡る温度勾配を低減することができることを意味する。
【００５７】
少なくとも1つの燃料電池スタック及びフードは、フード空間へのガス流入口から少なくとも1つの燃料電池スタックの開放多岐管端への使用時の酸化剤の流れが、主に少なくとも1つの燃料電池スタックの側面周辺で発生し、少なくとも1つの燃料電池スタックの上部の上で発生しないように構成することが好ましい。
【００５８】
例えば、少なくとも1つの燃料電池スタック及びフードは、少なくとも1つの燃料電池スタックの上部とフードとの間に狭い間隙が規定され、使用時にこの間隙が少なくとも1つの燃料電池スタックの上部全体に渡る酸化剤の流れを制限するように、寸法を決定することができる。代わりに、少なくとも1つの燃料電池スタックとフードとの間を密封して酸化剤の流れを阻止するために、少なくとも1つの燃料電池スタックの上部周囲の周りに、壁面を設けることができる。このような壁面は、少なくとも1つの燃料電池スタックからフードへの熱伝導を低減又は最小化するために、熱絶縁されていることが好ましい。代わりに、少なくとも1つの燃料電池スタックの上部全体に渡る酸化剤の流れを低減又は防止するために、少なくとも1つの燃料電池スタック上の、この燃料電池スタックとフードとの間に熱絶縁ブロックを設けることができる。このような熱絶縁ブロックは、少なくとも1つの燃料電池スタックとフードとの間の封止（シール）をもたらし、燃料電池スタックの上の酸化剤の流れを防止するように、フードに接触することが好ましい。代わりに、フードは、少なくとも1つの燃料電池スタックとフードとの間の封止をもたらし、燃料電池スタックの上の酸化剤の流れを防止するように、燃料電池スタックの上部に接触することができる。
【００５９】
少なくとも1つの燃料電池スタックは、その上部に配置される端板を備えることが好ましい。このような端板は、例えば、使用時の流体の流れに影響を与えるアーム（腕）、フィンガー（指）、壁面、又は物体を設けることにより、少なくとも1つの燃料電池スタックの上の酸化剤の流れを制御するような形状及び寸法に形成することができる。
【００６０】
このことは、燃料電池スタックの中心と端部との間の温度勾配を低減するために、特に有利となり得る。複数の燃料電池スタック層、すなわち複数の燃料電池からなる燃料電池スタックは、積層方向に沿った電池間の温度勾配が最小化される場合、より高い効率で動作する。この目的のために、燃料電池スタックの上端及び下端にある燃料電池スタック端板からの熱損失の低減は、大きな利点であることが証明されている。よって、燃料電池スタック端板上でのフード空間内の酸化剤の流れの最小化は、端板からフード空間の酸化剤に放出される熱量を低減することにより、この目的の達成を助ける。上端板の上の流れは、端板とフードとの間の物理的障壁を用いることにより最小化することができる。この障壁は、熱絶縁材料製とすることができる。
【００６１】
使用時には、燃料電池スタックは、効率的な燃料電池の電気化学的動作を可能にするために取り除かれなければならない大きな熱量を生成する。少なくとも1つの燃料電池スタックに入る流入ガスは、スタックの内部での冷却を行う重要な役割を発揮する。このことは一般的に、燃料電池スタック全体に渡って過剰な体積の（例えば燃料の酸化に必要な酸素のモル体積の例えば2、3、4、8、10、12、15、又は20倍を有する）酸化剤を通過させることにより達成される。しかしながら、このことは、代わりに、例えば送風機が燃料電池スタックシステム組立体に酸化剤を通過させるためにエネルギーの消費を必要とする。よって、少なくとも1つの燃料電池スタックから流入ガス、特に酸化剤への全熱交換におけるあらゆる改善は、必要とする熱交換を行うのに必要なガス体積を低減することができ、同様に燃料電池スタックシステム組立体の電力消費を低減することができる。少なくとも1つの燃料電池スタックの外面を熱交換面として設けることは、各単位体積の流入ガスへの熱交換量を増加させ、従って必要な流入ガス量を低減する上で、さらに有利となり得る。
【００６２】
フードのベースを基板に気密に接続することは、溶接、ろう付け、又は接着により達成することが好ましい。燃料電池スタック組立体は、基板とフードとの間に配置された熱絶縁材料をさらに備えることが好ましい。これはガスケットの形態をとることが好ましい。すなわち、ガスケットはフードと基板との間に配置することができ、ガスケット圧縮手段は必要な密封を生成するために用いることができる。このようなガスケットは、熱絶縁性であり、バーミキュライトガスケット又はヴィトンガスケットのような気密ガスケットであることが望ましい。よって、フードは、少なくとも1つの燃料電池スタックから基板を通じた熱伝導から絶縁することができる。
【００６３】
フードには、少なくとも1つの内面又は外面上に配置される絶縁材料を設けることが望ましい。これは、フードを、少なくとも1つの燃料電池スタックからの熱伝導からさらに絶縁する役割を果たし、フードからフードの外部の他の構成要素への熱伝導を低減する役割も果たす。
【００６４】
フード空間の中でのガス流をさらに増強するためには、フード空間内へのガス流入口には、少なくとも1つのバッフルを設けることが好ましい。
【００６５】
フードには、フード空間内へ延びる少なくとも1つのバッフルを設け、少なくとも1つのバッフルは、フード空間内での流体の流れを制御するような形状及び寸法に形成されることが好ましい（以下に詳細を説明する）。特に、少なくとも1つのバッフルは、少なくとも1つの燃料電池スタックの上部上で発生する流体の流れを防止することができる。
【００６６】
代わりに、フードには、流体の流れ方向を制御するため、及び／又は、少なくとも1つの燃料電池スタックの上部上ではなく、少なくとも1つの燃料電池スタックの周囲の流体の流れを促進するために、リブ又はフィンガーなどの少なくとも1つの付加的な表面の特徴を設けることができる。
【００６７】
上述したように、少なくとも1つの燃料電池スタック及びフードは、好ましくは、少なくとも1つの燃料電池スタックの上部の上ではなく、少なくとも1つの燃料電池スタックの周辺での流体の流れを促進するために、フード空間内での流体の流れを制御するように寸法を決定することが好ましい。
【００６８】
フードが加圧品として製造される場合、描画角を用いて、フード内の適切な表面の特徴を規定し、使用時の流体の流れの制御を行うことができる。
【００６９】
少なくとも1つのバッフルは、少なくとも1つの燃料電池スタックの表面付近にガス流を指向させるように設計することが好ましい。
【００７０】
少なくとも1つの燃料電池スタック又はその構成部分の外面からの熱伝導をさらに促進するために、さらなる特徴を設けることができる。この特徴は、例えば（好ましくは少なくとも1つの燃料電池を含む）燃料電池スタック層から延びる例えばフィン、フィンガー、又はアームのような突起を含む。この特徴は、熱交換を行うことのできる付加的な表面積を提供し、及び／又は熱交換を改善するために、少なくとも1つの燃料電池スタックの表面に接近したガス流中の乱流を促進する。
【００７１】
フードと少なくとも1つの燃料電池スタック又はその構成部分との間の間隙又はそこからのあらゆる突起又はその間隙内の表面の特徴は、ガス流を増強し、これによりこの特徴上の熱交換を増強するように構成することが好ましい。
【００７２】
少なくとも1つの形成された形状は、ガス流中の乱流を促進するために、少なくとも1つの燃料電池スタック層のエッジ上に設けることが好ましい。
【００７３】
フードの内面には、酸化剤が少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口に入る前に、酸化剤から硫黄を使用時に取り除くために、硫黄吸収材料又は硫黄吸着材料を設けることが好ましい。例えば、自動補助電力適用のために残留硫黄を閉じ込めるために、硫黄吸収材料又は硫黄吸着材料は、汚れた都市の空気中での燃料電池システムの動作に関連するレベルで硫黄を捕捉することができる。
【００７４】
フードの内面には、使用時で酸化剤の供給から全てのクロム種を取り除き、これにより、燃料電池カソードのCrの毒作用の可能性を低減するために、例えばコーティング形式で、Cr吸収材料又はCr吸着材料を設けることが好ましい。
【００７５】
フード空間は、少なくとも1つの燃料電池スタックとガスとの間の熱伝導を使用時に増強する熱伝導性のメッシュ、ファイバー網、又は充填材料で少なくとも一部分を充填することが好ましい。このような材料は、非導電性であることがより好ましい。さらに、このような材料は硫黄吸収材料及び硫黄吸着材料のうち少なくとも1つでコーティングされることが好ましい。
【００７６】
少なくとも1つの燃料電池スタックの性能をさらに向上するために、流入燃料も少なくとも1つの燃料電池スタックに入る前に加熱されることが好ましい。このことは、水蒸気を取り除いて熱を回復させるために、排出燃料の流れを、内部多岐管燃料流出口に沿って、ガス対ガスの熱交換器、及び少なくとも1つの凝縮熱交換器へ移動させることにより達成することが好ましい。よって、より乾燥した排出燃料の流れは、未反応の燃料ガスを含み、未使用の化学エネルギー中に保持された熱エネルギーは、これをバーナーに渡すことにより、回復される。バーナーでは、より乾燥した排出燃料の流れが、内部多岐管酸化剤流出口に沿って通過した排出酸化剤の流れと混合し、燃焼する。これにより、高温のバーナーのオフガスを生成し、このオフガスは流入燃料を加熱するための熱源を提供するために用いることが好ましい。特定の好適例では、熱エネルギーは、流入燃料の吸熱流の改質を支援するために用いる。次に、バーナーのオフガスは、最適な起動バーナーユニットに入って予熱器に入る前の吸熱水蒸気の改質に必要な水蒸気を発生する水蒸気発生ユニットに移動することが好ましい。
【００７７】
このような複数の熱交換ステップを設ける場合、これらを可能な限り数多く熱的に密結合することが特に有利で望ましい。例えば、上記の熱交換兼化学反応ユニットを少なくとも1つの結合ユニットとして設けることにより、燃料電池スタックシステム組立体の大きさを低減することができる。例えば、結合型の水蒸気発生器、燃料改質器、及びリフォーメート（改質物）冷却器は、1つのユニット内に設けることができる。このような装置は、燃料電池スタック側とは反対側の基板の下側に直接接続することが好ましい。よって、ガス流路の長さが大幅に低減され、ガス管接続が最小化され、部品点数及び接続漏れのリスクが低減され、システム組立体が単純化される。
【００７８】
少なくとも1つの燃料電池スタックは、金属担持中間温度固体酸化物燃料電池（IT-SOFC）スタックであることが好ましく、米国特許第6794075号（特許文献19）に教示されるものであることがさらに好ましい。
【００７９】
フードは、例えば、プラスチックでコーティングされた金属フードのように、プラスチック、セラミック又は金属のうち少なくとも1つ、又はこれらの材料の少なくとも2つの混合物から製造されることが好ましい。フードは、例えば深絞り、曲げ及び溶接、ろう付け、又は鋳造により形成され、ステンレス鋼から製造されることが好ましい。低温の燃料電池の用途には、フードは、適切なプラスチック材料から射出成形されることが好ましい。
【００８０】
フードは、フードの内部及び外部のうち少なくとも一方で断熱されることが好ましく、外部で断熱されることがより好ましい。適切な絶縁層は、巻かれた絶縁層又は整合するように形成された絶縁層を含み、しかしこれに限定されず、又は、複数の層及び複数の絶縁材料から作ることができる。中間温度又は高温の燃料システム用には、Promalight（登録商標）（Promat UK Limited、Bracknell、UK; www.promat.co.uk）を備える単一の絶縁層を設けることが好ましい。
【００８１】
代わりに、動作温度に耐え得る第1の比較的厚い内側層（例えばMicrotherm Inc. （TN、 USA）により提供される絶縁体）と、上記第1又は内側の絶縁層の外部の動作条件に絶え得るAspen Aerogel （登録商標）（Aspen Aerogels、Inc.、 MA、USA）を含む第2の比較的薄い外側層と、を備える複数層の絶縁体を設ける。
【００８２】
全体的に、これらの絶縁体の選択肢は、外側層絶縁体の動作温度範囲外の温度に耐え得る絶縁体を提供しつつ、全体的な絶縁体積の低減という特別な利点を与えることができる。
【００８３】
特定のシステム設計の実施例は、排ガスバーナー及び／又は燃料改質プロセスからの高温ガスが供給される予熱器を用いて、酸化剤の加熱が生じることを可能にする。しかしながら、このような熱源からの熱の供給は、タイムラグ（時間遅れ）を伴う。効果的な予熱器の動作は、燃料電池スタック組立体の全体的な動作に密接に結びついている。
【００８４】
この密接に結びついた熱交換関係を低減又は切り離すためには、制御可能な加熱能力を含めることが望ましい。このような制御可能な加熱能力は、電気加熱器を用いて達成することができる。
【００８５】
電気加熱器をフード空間の外部に設けることは、幾つかの欠点があることが判っている。
【００８６】
電気加熱装置がフード空間の外部にある予熱器の一部である場合（例えば、熱交換器を備える予熱器）、次のような問題点がある:
予熱器と少なくとも1つの燃料電池スタック基板との間の導管（通常はパイプ）から発生する熱損失の増加、効果的に酸化剤の流れを電気加熱装置上に向けるための予熱器内の付加的な特徴の必要性（このことは、予熱器の設計に複雑性を追加する）、付加的な予熱器の製造工程（このことは、予熱器の製造中に予熱器をろう付けするために使用可能な温度を制限し、又は溶接動作を制限し得る。）、電気加熱装置から予熱器ユニット外への電気配線を引くに当たり増加する予熱器ユニットからの酸化剤漏れの恐れを考慮に入れるための、予熱器の設計への複雑性の追加、及び予熱器ユニット内の潜在的に高温の熱源点の追加。
【００８７】
電気加熱装置を予熱器と燃料電池スタックのフードとの間の酸化剤導管内に設けることにも問題がある。電気加熱装置を導管内に配置することは、酸化剤への良好な熱エネルギーの伝達をもたらすが、導管は、加熱器を収容し、また漏れ経路を作らないような効果的な方法で電気接続が導管から出られるように、設計する必要がある。このような導管設計は、電気加熱装置を配置するという要件が無い場合の同じ導管設計と比べて、パッケージ（筐体）体積が相当大きくなる傾向にある。このパッケージサイズの増加は、燃料電池スタック組立体のパッケージ化及びその製造組立体に重大な影響を与え得る。さらに、電気加熱装置を収容するための導管寸法の増加は、導管の熱損失面を増加させる。これにより、このような方法には、付加的な設計制約及び潜在的な動作効率上不利な条件が課せられる。
【００８８】
一般的なフード空間内に電気加熱装置を配置することは、上記の欠点の一部又は全部を取り除く。しかしながら、加熱有効性の低減をもたらすこのような電気加熱装置上に、効果的に酸化剤流を向けることは困難である。電気加熱装置をフードの一部として製造すること又はフード上に装着することは、フードの表面からの熱損失を増加させる。
【００８９】
本発明は、さらにこれらの欠点を解消することを追求する。
【００９０】
燃料電池スタック組立体は、さらに電気加熱装置を備え、この電気加熱装置は、上記少なくとも1つのガス流入口との直接的な熱伝導があるか、又は上記少なくとも1つのガス流入口内に存在し、フード空間内、あるいはフード又は基板内に設けられている。すなわち電気加熱装置は、フード空間から離れたフード又は基板の外部に配置されていない。
【００９１】
電気加熱装置をこのように設けることは、非常に有利であることが判った。これは、特に予熱器が受動型予熱器である場合に、特に当てはまる。
【００９２】
よって、電気加熱装置の全体を、ガス流入点まで配置されてガス流入点を含むガス流入口内に含めることができる。又は、電気加熱装置は、フード空間内のガス流入口の端部に構成部分を形成して、上記少なくとも1つのガス流入点を規定することができる。
【００９３】
電気加熱装置用の制御手段も設けることが好ましい。電気加熱装置の制御手段は、周知であり、当業者にとって明らかである。
【００９４】
本発明の装置は、改質器がその動作温度に達して改質物を生成した後、さらに好ましくは改質器がその動作温度に達して改質物を生成した直後、燃料電池スタックがその動作温度範囲の下方境界温度、好ましくは400〜450℃の範囲内に達するように、電気加熱装置が燃料電池スタックに熱エネルギーを供給するように構成されていることが好ましい。
【００９５】
特定の好適例では、上記少なくとも1つのガス流入口が基板を通じてフード空間に入る。他の好適例では、上記少なくとも1つのガス流入口がフードを通じてフード空間に入る。
【００９６】
使用時には、電気加熱装置を設けることにより、適切な場合に流入酸化剤の流れの追加的な加熱が可能になる。例えば:
・  予熱器の性能が低下するとき；
・  燃料電池スタックシステム組立体の動作環境が準最適であるとき、例えば
○  流入酸化剤温度が低すぎるとき（例えば低温の外気を酸化剤として用いるとき）、又は
○  流入酸化剤の湿度が高すぎるとき（例えば湿った外気を酸化剤として用いるとき）；
・  水蒸気:炭素の比率を変更するとき（例えば、水蒸気:炭素の比率の増加を生じさせる燃料を用いるとき）；
・  燃料電池スタックの温度の急速な立上り又は増加を必要とするとき（例えばガス流入口へ流れる酸化剤が、上記少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口に最寄の流入端にて、使用時の動作温度より100℃以上低い温度にあるかあり得る場合）
・  待機状態にあるとき；又は
・  燃料電池で急速な起動を助ける電気化学的活性が生じていないとき（すなわち燃料電池スタック組立体が「オフ」又は「休眠状態」に切り換えられているとき）
【００９７】
電気加熱装置を、上記で規定するように少なくとも1つのガス流入口内に配置することにより、設計配置及びパッケージ化の制約を最小化することができる。特に:
・  電気加熱装置が占める空間は、他の構成部品の中にあるため、フード空間内で既に規定されている。
・  電気加熱装置から酸化剤への良好な使用時の熱エネルギー伝達を可能にする。
・  電気加熱装置は、非常に低い熱慣性を有することができるため、電気加熱装置からの熱エネルギー出力の増加又は減少の必要がある場合に、高度に制御可能かつ反応性を高くすることができる。
・  電気加熱装置用の配線は、基板を通じて都合よく制御回路に接続することができる。このことは、例えば基板を通じて燃料電池スタックの電力を伝送するように設計された電気接続のように、燃料電池スタックシステム組立体の他の部分で用いられる電気接続と同様の電気接続を用いることにより達成することができる。
【００９８】
電気加熱装置は、例えば、主にNi/Cr又はNi/Cu金属又はこれらと同様な材料製のワイヤのように、電気加熱ワイヤを備えることが好ましい。例えば、電気加熱装置は、マイカ（雲母）板などの不活性で熱的に安定した取り付け具の周りに巻かれた、又は不活性で熱的に安定した成形装置内に部分的に包み込まれた、電気加熱ワイヤを備えることができる。
【００９９】
加熱器のワイヤの加熱が、ワイヤからのCr種の蒸発を生じさせ、このようなクロム種が少なくとも1つの燃料電池のカソード側にあるカソード材料の性能に悪影響をもたらすという問題がある状況では、ワイヤは、Cr種の移動（マイグレーション）を低減するために保護コーティングによりコーティングすることができる。又は、電気加熱装置は、電気加熱ワイヤの大部分を直接的に酸化剤流に晒さないように設計することができる。例えば、ワイヤは、例えば高い融解温度のアルミホイルのような、低いCr含有量を有する高度の熱エネルギー伝導性のホイルによって、使用時の酸化剤流から切り離すことができる。この場合、使用時には、加熱ワイヤの熱により生成される熱エネルギーは、ホイルを通じて酸化剤流に伝達される。電気加熱装置によるホイルの融解を回避するために、ホイルの融解を防止するためにホイルを通過した酸化剤流が十分にある場合にのみ電気加熱装置が動作するように構成された制御手段を設けることができる。
【０１００】
電気加熱装置からの電気加熱を実行する適切な時点と量を決定するために、制御手段と共にセンサ及び／又は入力手段を設けて、必要な加熱を行うことができる。例えば、以下に詳細に説明するように、少なくとも1つの温度センサを設けることができる。随意的に、流入酸化剤用の湿度センサ、又は燃料タイプセンサを設けることができる。随意的に、使用者が使用燃料のタイプを示すための入力手段を設けることができる。
【０１０１】
特定の好適例では、使用時に上記少なくとも1つのガス流入口に向かって流れるか、上記少なくとも1つのガス流入口を通って流れる酸化剤の温度、又はフード空間内の選択点における温度を測定するために、温度センサを設ける。温度センサは、(i)フード空間内、又は(ii)予熱器の出力と少なくとも1つの燃料電池スタックの開放多岐管端との間の酸化剤流路内、又は(iii)予熱器の出力と少なくとも1つの燃料電池スタックの開放多岐管端との間の酸化剤流路に沿って、又は該経路上に、かつ該経路との熱伝導があるように配置することが好ましい。温度センサは、予熱器と基板との間の酸化剤流経路との熱伝導があるように配置することが好ましい。
【０１０２】
温度センサは、電気加熱装置の動作を制御する制御手段と通信することが好ましい。制御手段は、温度センサにより測定される情報に従って電気加熱装置の動作を制御するように構成されている。上述したように、電気加熱装置の動作は、温度センサにより測定される情報のみに依存しなくてもよい。よって、制御手段は、電気加熱装置の動作を決定するために、起動、燃料タイプ、酸化剤タイプ、酸化剤温度、及び酸化剤湿度などの他の要因をさらに用いることができる。
【０１０３】
電気加熱装置は、燃料電池スタック組立体の定格電気容量の10％と50％の間の定格電気容量を有することが好ましい。例えば、1kWeの定格燃料電池スタック容量に対して、電気加熱装置は、100We、200We、300We、400We、又は500Weの容量を有することができる。
【０１０４】
電気加熱器から酸化剤流に伝達される最大熱エネルギーは、電気加熱器の仕様により物理的に設定し、又は制御システムによって設定する。急速な起動中には、電気加熱器からの最高熱エネルギー出力が必要である。これらの条件下では、電気加熱器の熱エネルギー出力は、システム全体がウォームアップする時に、スタックが動作温度範囲の下方境界温度に達する前に改質器が動作可能になることを保証するように制御される。よって、急速な起動中には、燃料電池スタックが化学的活性になる前に、改質物が燃料電池スタックのアノード側に供給される。これにより、燃料電池の化学層が化学的かつ電気化学的に活性になり始める時に、燃料電池の化学層の保護が幾らか可能になる。
【０１０５】
電気加熱器は、燃料電池スタックの酸化剤流入温度が特定の要求温度より高く、例えばIT-SOFC燃料電池スタック組立体の通常動作の場合は480℃より高く維持されるように制御されプログラムされることが好ましい。
【０１０６】
電気加熱装置から流入酸化剤へ伝達される熱エネルギー量は、要求される燃料電池スタックの酸化剤流入温度に対して制御することができる。よって、燃料電池スタックの酸化剤流入温度を監視することにより、要求される燃料電池スタックの酸化剤流入温度を達成するために、燃料電池スタックシステム組立体（制御手段及び電気加熱装置を含む燃料電池スタック組立体）は、流入酸化剤に加えられる熱エネルギー量を、電気加熱装置により制御することができる。
【０１０７】
燃料電池スタックの酸化剤流入温度の測定方法は、以下のステップを含む（しかしこれらに限定されない）:
・  燃料電池スタックの酸化剤流入領域内に直接配置された熱電対を用いて酸化剤流入温度を測定するステップ;
・  電気加熱装置の前のガス流入装置内に配置された熱電対を用いてこの点での酸化剤流入温度を測定し、次に、制御手段に含まれるモデル化され実験的に得られたマップ又は一組のマップから導出した温度オフセットの加算により、燃料電池スタックの酸化剤流入温度を推測するステップであって、マップは、測定点での酸化剤流入温度、測定点での酸化剤質量流量、燃料電池スタック出力、及び燃料電池スタック排出流出温度を含む要因を考慮するステップ；及び／又は
・  マップが形成される酸化剤流入口から離れた位置に配置した熱電対を用いて、測定点と燃料電池スタックの酸化剤流入点との間の温度影響要因を明確にするステップ。
【０１０８】
マップ又は1組のマップを、異なる燃料タイプ又はシステム構成に対して得て、システム製造中又はシステム動作若しくはサービス中にこれらのマップを制御手段に搭載することは可能である。マップの選択は、製造中、設置中にオペレーターにより手動で設定することができ、又はシステムにより自動的に達成することができる。
【０１０９】
要因の測定は、以下により達成する:
・  測定点での酸化剤流入温度−熱電対から；
・  測定点での酸化剤質量流量−酸化剤送風機の動作点から；
・  燃料電池スタック出力−パワーエレクトロニクス（電力用電子装置）の動作点から；及び／又は
・  燃料電池スタック排出流出温度−燃料電池スタック排出口内の熱電対測定から
【０１１０】
これらの要因を測定することにより、マップは、酸化剤が電気加熱器の前のガス流入口と燃料電池スタックの酸化剤流入口との間を通過する時の燃料電池スタックの酸化剤の温度増加を示すことができる。この温度増加が、所望の燃料電池スタックの酸化剤流入温度より小さい場合、電気加熱装置に供給する電力を、必要な熱エネルギー量と酸化剤質量流量とにより決定して、付加的な熱エネルギーを電気加熱装置から得ることができる。
【０１１１】
よって、例えば、このことは以下の規則を用いて達成することができる:
T_in_inferred = T_measured + T_offset 
もし T_in_desired > T_in_inferred である場合、電気加熱器に熱を加える。
【０１１２】
T_in_desired = 少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口での所望の酸化剤温度
T_measured = 温度センサにより測定される温度
T_offset = フード空間内の酸化剤流からもたらされる、少なくとも1つのガス流入点から少なくとも1つの燃料電池スタックの開放多岐管端までの温度変化。
【０１１３】
T_in_desiredは、必要なシステム状態に応じて選択することができる。例えば、T_in_desiredは、システム起動中に上昇させ、定常状態動作では最適値に設定し、特定の動的動作点を達成するために変化させ、又はシステム停止又はシステム待機又は休眠モードなどの制御システム性能の低減のためにはT_measuredより低く設定することができる。
【０１１４】
電気加熱器から必要とされる熱エネルギー量は、Q_inと称す。ここで:
Q_in = (T_in_desired - T_in_inferred) x (酸化剤ガス質量流量 x 酸化剤ガス特有の熱容量)
【０１１５】
本発明は、並行流、対向流、及び直交流を含む、様々なガス流の構成を用いた燃料電池スタック組立体に同様に適用することができる。
【０１１６】
本発明は、また、本発明による燃料電池スタック組立体を備えた燃料電池スタックシステム組立体に関する。
【０１１７】
本発明は、また、中間温度固体酸化物燃料電池スタック組立体の動作方法に関し、該燃料電池スタック組立体は、
(i)  基板と、
(ii)  上記基板に気密に取り付けられたフードであって、上記基板と該フードとの間にフード空間を規定するフードと、
(iii)  上記基板上に実装され、上記フードによって包囲された少なくとも1つの中間温度固体酸化物燃料電池スタックと、
(iv)  上記フード空間内への少なくとも1つのガス流入点を規定する少なくとも1つのガス流入口と、
(v)  上記フード空間の外部に配置され、酸化剤源及び上記少なくとも1つのガス流入口と流体連通し、上記酸化剤源から上記ガス流入口を通じて上記フード空間へ酸化剤を供給するように構成された予熱器とを備え、
各燃料電池スタックは少なくとも3つの燃料電池スタック層を備え、各燃料電池スタック層は少なくとも1つの中間温度固体酸化物燃料電池を備え、各燃料電池は酸化剤流入端及び排出酸化剤流出端とを規定し、
上記少なくとも1つの燃料電池は、
(a)  上記少なくとも1つの燃料電池スタックの開放多岐管端を規定する少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口と、
(b)  少なくとも1つの内部多岐管ガス流出口と、を備え、
上記フード空間内への上記少なくとも1つのガス流入点は、上記少なくとも1つの燃料電池スタックの上記開放多岐管端から離れた位置に配置され、上記少なくとも1つの中間温度固体酸化物燃料電池スタックは、上記基板に最寄の上記燃料電池スタック層から上記基板から最も離れた燃料電池スタック層までの高さXを規定し、
上記少なくとも1つのガス流入点は上記基板に最寄の上記燃料電池スタック層上の高さYの位置に配置され、0.25X≦Y≦0.75Xであり、
上記方法は、上記少なくとも1つのガス流入口を通じて上記フード空間内へ酸化剤を移動させるステップと、この酸化剤を上記少なくとも1つの燃料電池スタックの外側付近を通過させて上記少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口に移動させるステップとを備え、
上記酸化剤が上記開放多岐管ガス流入口に入る前に、上記酸化剤と上記燃料電池スタック層の外面との間で直接的な熱交換が発生し、上記予熱器は、上記酸化剤源からの使用時の酸化剤が加熱されて、開放多岐管ガス流入口に最寄の燃料電池の流入端での使用時の動作温度と比べて100℃以下の温度だけ低い温度で（すなわち、少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口に最寄の燃料電池の流入端における使用時の動作温度と比べて100℃低い温度、又はそれより高い温度で）、上記ガス流入口を通じて上記フード空間に供給されるように構成されている。
【０１１８】
上記燃料電池スタック組立体は、さらに、
(i)  上記少なくとも1つのガス流入口内に存在するか、上記少なくとも1つのガス流入口との直接的な熱伝導があり、上記フード空間内、あるいは上記フード又は基板内に含まれる電気加熱装置と、
(ii)  上記少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口に向けて流れる酸化剤温度を使用時に測定するように配置された少なくとも1つの温度センサと、
(iii)  制御手段とを備えることが好ましく、
上記電気加熱装置及び上記少なくとも1つの温度センサは、上記制御手段と電気的に通信し、上記方法は、上記制御手段の制御下で、使用時に上記少なくとも1つの開放多岐管ガス流入口において上記酸化剤が所望の温度に向けて加熱されるように、上記電気加熱装置により上記酸化剤のさらなる加熱を実行するステップをさらに備える。
【０１１９】
上記酸化剤は上記所望の温度まで加熱することがより好ましい。
【０１２０】
上記方法は、上記少なくとも1つの燃料電池上で、酸化剤と燃料との電気化学反応を実行して、熱及び電気を発生するステップをさらに備えることが好ましい。
【０１２１】
本発明は、添付の図面のうち、燃料電池スタック組立体の構造を一例として示す幾つかの図を参照した以下の説明により、さらに明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明の燃料電池スタック組立体の部分切欠き側面図である。
【図２】図1の燃料電池スタック組立体内の酸化剤流体の流れを示す図である。
【図３】図1の燃料電池スタック組立体内の酸化剤流体の流れを、A-A’線を通る断面で示す図である。
【図４】単一の燃料電池スタック層を、B-B’線を通る断面で示す概略図である。
【図５】酸化剤熱交換システム（予熱器）をさらに内蔵する、他の燃料電池スタック組立体の部分切欠き側面図である。
【図６】酸化剤流入口をフード内に配置した、代案の燃料電池スタック組立体を示す図である。
【図６Ａ】酸化剤流入口をフード内及び基板内に配置した、代案の燃料電池スタック組立体を示す図である。
【図６Ｂ】酸化剤流入口を基板内に配置し、流れ分配装置をさらに備えた、代案の燃料電池スタック組立体を示す図である。
【図７】図1の燃料電池スタック組立体を示す図であり、水蒸気改質器（330）内の水蒸気対炭素の比率が2.5:1である場合に、要件（英国規則1996 No. 551 ガス安全（管理）規制）を満たすメタンに富んだ天然ガスで動作している時の主要な流体温度を示している。
【図８】図1の燃料電池スタック組立体を示す図であり、水蒸気改質器(330)内の水蒸気対炭素の比率が3.5:1である場合に、プロパンに富んだLPGで動作している時の主要な流体温度を示している。
【図９】図1の燃料電池スタック組立体を示す図であり、水蒸気改質器(330)内の水蒸気対炭素の比率が4.0:1である場合に、ブタンに富んだLPGで動作している時の主要な流体温度を示している。
【図１０】理想的な場合（480℃での細い破線）、Y=0の場合（実線、Y軸最大値は520℃）、及びY=0.5Xの場合（太い破線、Y軸最大値は495℃）における、燃料電池スタック内の燃料電池スタック層についての、フード空間内への空気流入点と燃料電池スタック層の空気流入温度との温度差を示す図である。X軸は、基板に最寄の燃料電池スタック層から数えた燃料電池スタック層の数を示し、Y軸は燃料電池スタック層の開放多岐管のガス流入端での酸化剤温度を示す。
【図１１】フード内を通過し、ガス流入点を規定するガス流入口を有する、本発明の燃料電池スタック組立体の部分切欠き側面図である。
【図１２】ガス流入口の中に配置された電気加熱器をさらに備えた、図11の構成を示す図である。
【図１３】基板内を通過するガス流入口を有し、ガス流入点を規定する、本発明の燃料電池スタック組立体の部分切欠き側面図である。
【図１４】ガス流入口内に配置された電気加熱器をさらに備えた、図13の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０１２３】
燃料電池及び燃料電池スタック組立体の教示は当業者によく知られている。特に、従来技術は米国特許第6794075号（特許文献19）、国際公開第2002/035628号（特許文献20）、国際公開第2003/075382号（特許文献21）、国際公開第2004/089848号（特許文献22）、国際公開第2005/078843号（特許文献23）、国際公開第2006/079800号（特許文献24）、国際公開第2006/106334号（特許文献25）、国際公開第2007/085863号（特許文献26）、国際公開第2007/110587号（特許文献27）、国際公開第2008/001119号（特許文献28）、国際公開第2008/003976号（特許文献29）、国際公開第2008/015461号（特許文献30）、及び国際公開第2008/053213号（特許文献31）を含み、これらは、その全文を参考文献として本明細書に含める。
【０１２４】
本明細書で用いる参照符号の概要は、特許請求の範囲の直前に記載する。
【０１２５】
燃料電池スタック組立体1の第１の実施形態では、固体酸化物燃料電池スタック10は、複数の燃料電池スタック層20から組み立てられる。各燃料電池スタック層20は、1つの燃料電池30を含む（他の実施形態では、図示しないが、各燃料電池スタック層20は複数の燃料電池30を含む。）。各燃料電池は、燃料電池金属基板34上に実装され、燃料電池基板多孔質領域36を覆うアノード31、電解質32、及びカソード33を備える。燃料電池基板多孔質領域36は、燃料電池基板非多孔質領域35によって包囲されている。導電性の相互接続板37は、燃料の流れ用の多岐管を提供する。第1の燃料電池スタック層20の金属基板34は、絶縁ガスケット38によって、第2の隣接する燃料電池スタック層の相互接続板37と直接電気接触することを防止されている。  
【０１２６】
燃料電池スタック10は基板40上に実装されている。フード50は燃料電池スタック10の上に配置され、基板40と気密に係合されて、基板40とフード50との間のフード空間60を規定し、その内部に燃料電池スタック10を含める。
【０１２７】
燃料電池スタック10は、燃料電池スタック10の開放多岐管端80を規定する開放多岐管酸化剤流入口70を有する。また、各燃料電池スタック層20は、内部多岐管酸化剤流出口90を有する（単一の燃料電池を有する燃料電池スタック層の場合、燃料電池の排出酸化剤流出端に相当）とともに、内部多岐管燃料流入口100及び内部多岐管燃料流出口110を有する。内部多岐管燃料流入口100及び内部多岐管燃料流出口110は、それぞれ基板40内のチャンネル（図示せず）を通る。
【０１２８】
基板40は、さらに、フード空間60内への酸化剤流入口120を設けられている。酸化剤流入口120は、燃料電池スタック10の開放多岐管端80と反対側の端に配置された酸化剤流入点125を規定する。
【０１２９】
使用時には、燃料130は、基板40を貫通する内部多岐管燃料流入口100を通って、燃料電池30のアノード電極側から供給される。
【０１３０】
酸化剤（空気）140は、燃料電池スタック10の開放多岐管端80と反対側の端にある酸化剤流入口120を通って、フード空間60に入る。断熱性の流れ制限装置150が、燃料電池スタック10の端板160上に設けられ、フード50に接触するような寸法を有し、端板160とフード50との間の気流を防止する。よって、使用時には、フード空間60内に気流が、酸化剤流入口120から燃料電池スタック10の側面に沿って開放多岐管端80に向けて発生する。矢印210は酸化剤140の流れを示している。
【０１３１】
本発明の実施形態の各々において、酸化剤流入点125は基板40から最寄の燃料電池スタック層20上の垂直方向の高さYの位置に配置されている。ここで、0.25X≦Y≦0.75Xであり、Xは基板40に最寄の燃料電池スタック層20から基板40から最も遠い燃料電池スタック層20までの高さである。
【０１３２】
燃料電池スタックの端板160は、上部端板である。基板40は下部端板として作用する。必要に応じて、少なくとも1つの燃料電池スタックを圧縮するための圧縮手段を設けており、これにより必要な気密接続及び電気接続を保証する。適切な圧縮システムの例は、国際公開第2007/085863号（特許文献26）により教示され参照されるシステムを含む。
【０１３３】
燃料電池スタック10の外面170は、フィンの形態の突起（図示せず）を設けられている。これらの突起は、燃料電池スタック10の側面の周りのガス流を増強し、かつ燃料電池スタック10の外部と酸化剤140との間の熱伝導を増強するような形状及び寸法を有する。
【０１３４】
酸化剤140は、約455℃の初期温度でフード空間60に入る。内部多岐管酸化剤流出口90での燃料電池スタック10の動作流出温度は約600℃である。開放多岐管酸化剤流入口70に最寄の燃料電池の流入端30は、約500℃の定常状態での使用時動作温度を有する。許容可能な動作効率を達成するため、酸化剤140を開放多岐管酸化剤流入口70に入る前に約480℃の温度まで加熱する。酸化剤140の加熱は、燃料電池スタック10の外面170及びフード50の内面190との接触及び熱交換により行う。
【０１３５】
本実施形態では、内部多岐管酸化剤流入口70は、燃料電池スタック層20毎に別個の開放多岐管流入口を備える。他の実施形態（図示せず）では、開放多岐管酸化剤流入口70は、燃料電池スタック層毎に複数の開放多岐管流入口を備える。さらに他の実施形態（図示せず）では、開放多岐管酸化剤流入口70は、複数の燃料電池スタック層用に単一の開放多岐管流入口を備える。
【０１３６】
少なくとも温度480℃の酸化剤140は、開放多岐管酸化剤流入口70に入り、燃料電池30のカソード電極側に供給される。すると、酸化剤140がカソードと反応し、燃料130がアノードと反応する電気化学反応が起こる。その結果、熱、水、及び電気エネルギーが生成される。電気エネルギーは、電気回路（図示せず）上の負荷を通過する。
【０１３７】
次に、反応した燃料130は、燃料電池スタック10の開放多岐管端80から離れた側にあり基板40を貫通する内部多岐管酸化剤流出口110を通って、燃料電池30と燃料電池スタック層20から出る。次に、反応した酸化剤140は、燃料電池スタック10の開放多岐管端80から離れた側にあり基板40を貫通する内部多岐管燃料流出口90を通って、燃料電池30と燃料電池スタック層20から出る。
【０１３８】
よって、燃料電池スタック10において、オフガス（酸化剤120及び燃料130）が内部多岐管燃料流出口110及び内部多岐管酸化剤流出口90を通って燃料電池スタック10を出る側は、最高温度となる。なぜなら、燃料電池スタック10のこの側は、高温の排ガスにより加熱されるからである。また、開放多岐管端80は、流入酸化剤140の流れにより熱を奪われるため、最低温度となる。よって、開放多岐管端80から離れた燃料電池スタック10の外側とガス流入点125にてフード空間60に入る酸化剤140との間には、最大の熱ポテンシャルが存在する。
【０１３９】
この熱交換は、燃料電池スタック10にとって有益に作用する。なぜなら、この熱交換は、燃料電池スタック10の全長に沿った温度勾配を低減するように作用するからである。また、この熱交換により、燃料電池スタック組立体1に対する機械的応力を低減することができるとともに、仮に空気がより高い温度で開放多岐管酸化剤流入口70に入る必要がある場合に、必要な大きさ及び質量と比較して、予熱器200の大きさ及び質量を低減することができる。
【０１４０】
図5に示すように、燃料電池スタック10、基板40、及びフード50は、より大きな燃料電池スタックシステム組立体の一部を構成する。（燃料が要件（英国規則 1996 No. 551 ガス安全（管理）規制）を満たすメタンに富んだ天然ガスであり、水蒸気:炭素の比率が2.5:1である例において）この燃料電池スタックシステム組立体は、酸化剤流入口120を通って流れる酸化剤140を、加熱流体として作用する内部多岐管燃料流出口110に沿って流れる排出燃料130により、約455℃の初期流入温度まで加熱する、酸化剤熱交換システム（予熱器）200を含む。代表的な従来技術の燃料電池スタックシステム組立体の酸化剤熱交換システムは、燃料電池スタック10に入る前に酸化剤の温度を約480℃の温度まで上げなければならなかった。この酸化剤予熱器に対する熱負荷の低減は、酸化剤熱交換システム200の大きさ、質量、コスト、及び複雑性を大幅に低減することができることを意味する。
【０１４１】
燃料電池スタック10の性能をさらに向上するために、流入燃料130も燃料電池スタック10に入る前に加熱する。このことは、排出燃料130ａを、内部多岐管燃料流出口110に沿って通過させ、気体対気体の熱交換器290と少なくとも1つの凝縮熱交換器300とを通過させて、水蒸気を除去して熱を回復させることにより行う。よって、より乾燥した排出燃料130ｂは、未反応の燃料ガス130を含む。未使用の化学エネルギー中に保持される熱エネルギーは、より乾燥した排出燃料130bを、内部多岐管酸化剤流出口90に沿って流れてきた排出酸化剤140aとともにバーナー(310)を通過させることにより、回復される。次に、高温のバーナーオフガス320を用いて、流入燃料130を加熱するための熱源を提供する。特定の実施形態では、この熱エネルギーを用いて、流入燃料130の改質器330内での吸熱水蒸気の改質を支援する。次に、バーナーオフガスを水蒸気発生器340に移動させ、給水270を用いて水蒸気280を発生する。水蒸気280は、随意的な起動バーナーユニット（図示せず）に入り、次に酸化剤熱交換システム200に入る前の、触媒改質に必要である。
【０１４２】
本実施形態では、燃料電池スタックの端板160とフード50の下側との間に、端板160の上面全体に渡って流体の流れを阻止し、フード50を燃料電池スタック10から断熱する、断熱の流れ制限装置150を設ける。
【０１４３】
さらに、フード50の基部と基板40との間には、フード50を燃料電池スタック10からさらに断熱するために、気密断熱バーミキュライトガスケット230を設ける。
【０１４４】
フード50の外部の構成要素には、Microtherm Freemouldingの製品の比較的厚い内側絶縁層240とAspen Aerogel Pyrogel（登録商標）の比較的薄い外側絶縁層250とにより、さらなる断熱を与える。この外側絶縁層250を用いることにより、仮に内側絶縁層240の材料のみを用いる場合に必要とする絶縁材料の体積と比べて、断熱材料の体積を低減しつつ、全体的にフード50の所望の断熱が提供される。
【０１４５】
他の実施形態（図示せず）では、絶縁層240、250を、Promalight（登録商標）（Promat UK Limited、Bracknell、UK; www.promat.co.uk）の単一層に置き換える。
【０１４６】
図4は、（説明目的のみで）燃料電池スタック層20と付加的な燃料電池スタック層21を拡大した、B-B'線（図3）を通る断面を示す。図からわかるように、空気140は、酸化剤流入口120を通って酸化剤流入点125にて燃料電池スタック組立体1に入る。酸化剤流入点125は、燃料電池スタック10の開放多岐管酸化剤流入口70と反対側に（即ち、開放多岐管酸化剤流入口70から離れて）配置されている。次に、空気140は、燃料電池スタック10の側面付近を通過し（燃料電池スタック10の上部上の流体の流れは、燃料電池スタックの端板160の上面とフード50との間に配置され、この上面に接触する気密断熱バーミキュライトガスケット150によって阻止される）、加熱され、燃料電池スタック層20の開放多岐管酸化剤流入口70に移動し、中間温度固体酸化物燃料電池（IT-SOFC）30のカソード33上を通過し、電気化学反応を起こして熱、酸化物、及び電気を生成し、多岐管90を通って排出される。燃料130は、内部多岐管燃料流入口100を通って燃料電池スタック10に入り、燃料電池基板の多孔質領域36の下を通過し、ここを通って燃料電池アノード31に移動し、電気化学反応を起こして熱、酸化物（主に酸化炭素及び水）、及び電気を生成する。次に、排出燃料130は、内部多岐管燃料流出口110を通って、燃料電池スタック10を出る。
【０１４７】
各燃料電池スタック層20は導電性相互接続板37を備え、導電性相互接続板37は、多岐管を提供し、隣接する燃料電池スタック10の構成要素との電気接触を提供する。燃料電池金属基板34は、相互接続板37の上に実装され、燃料電池基板の非多孔質領域35によって区切られた、燃料電池基板の多孔質領域36を備える。よって、流体の流れが、多孔質領域36を通じて発生することができる。多孔質領域36上には、燃料電池30が実装される。燃料電池のアノードは、多孔質領域36を覆う。そして、燃料電池の電解質32は、流体が燃料電池30の燃料側から多孔質領域36を通って燃料電池30の酸化剤側へ流れるのを防止するために、アノード31と多孔質領域36との上に延在する。燃料電池のカソード33は、燃料電池の電解質32上に実装される。
【０１４８】
導電性の電流導体（図示せず）は、燃料電池のカソード33から延び、導電性の相互接続板37に電気接触して電気回路を形成する。この回路に負荷が取り付けられる。付加的な燃料電池スタック層21を、燃料電池スタック層20の上に配置する。燃料電池金属基板34から隣接する燃料電池スタック層21の導電性相互接続板37までの電気的短絡は、電気絶縁ガスケット38によって防止される。電気絶縁ガスケット38は、さらに、付加的な燃料電池スタック層21を機械的に支持する。
【０１４９】
他の実施形態（図6）では、複数の酸化剤流入口120を、基板40内ではなくフード50内に設ける。この構成により、ガスの流れ及び分配を促進し、特にガス流の停滞領域の防止を助ける。前述したように、酸化剤流入点125は、全て基板40に最寄の燃料電池スタック層20上の垂直方向の高さYの位置に配置する。ここで、0.25X≦Y≦0.75Xであり、Xは基板40に最寄の燃料電池スタック層20から基板40から最も遠い燃料電池スタック層20までの高さである。
【０１５０】
他の実施形態（図6A）では、複数の酸化剤流入口120を、フード50内、並びに基板40内に設ける。前述したように、このことは、ガスの流れ及び分配を促進し、特にガスの流れの停滞領域の防止を助けるために行う。
【０１５１】
図6Bの実施形態では、酸化剤流入口120を、基板40内に設ける。そして、流入口120からフード空間60を通るガス流の分配を助けるように設計された、穿孔した金属管を備えた、流れ分配装置260を設ける。代案の実施形態（図示せず）では、流れ分配装置260は、高度に多孔質性のセラミック材料とフード50の形成部分とを備える。
【０１５２】
他の実施形態では（図7）、水蒸気改質器（330）内の水蒸気対炭素の比率が2.5:1である場合に、メタンに富んだ天然ガスで動作しているとき時の主要な流体温度を示す。
【０１５３】
位置C〜Jでの温度は以下のとおりである:
C: 465〜490 °C
D: 430〜460 °C
E: 430〜460 °C
F: 550〜620 °C
G: 700〜725 °C
H: 550〜580 °C
I: 100〜120 °C
J: 230〜250 °C
【０１５４】
他の実施形態では（図8）、水蒸気改質器（330）内の水蒸気対炭素の比率が3.5:1である場合に、プロパンに富んだLPGで動作しているとき時の主要な流体温度を示す。とりわけ、酸化剤流入口120には、必要となる付加的な加熱を行うために電気加熱器400をさらに設ける。点（Ｅ）での流入酸化剤の温度は、図7の実施形態での流入酸化剤の温度より低いため、燃料電池スタック組立体1の所望の動作効率及び出力を達成するために、さらなる加熱が必要である。
【０１５５】
制御電子装置420、熱電対410、電気加熱器400、送風機460、及び電気コネクタ430〜450を、図8に示す。制御電子装置420、熱電対410、送風機460、及び電気コネクタ440、450は、他の実施形態にも存在する（が図示せず）。
【０１５６】
電気加熱器400を含む実施形態には、制御手段420、及び電気コネクタ430も存在する。
【０１５７】
使用時には、熱電対410は電気コネクタ440により制御電子装置420に電気的に接続され、電気出力を供給する。この出力は、制御電子装置420により温度値に変換される。送風機460は電気コネクタ450により制御電子装置420に電気的に接続される。制御電子装置420には、送風機の酸化剤質量流量を推定するための送風機酸化剤質量流量マップが事前設定されている。
【０１５８】
制御電子装置420に付加的に供給される入力（図示せず）は:燃料電池スタック組立体1からの電力出力の要求値と、燃料電池スタック組立体1からの電力出力の測定値である。
【０１５９】
制御電子装置420は、電気加熱器400に対する適切な電力供給レベルを決定するための入力情報を用いるように予め構成され、電気コネクタ450により電気加熱器400に必要な電流を供給する。
【０１６０】
位置C〜Jでの温度は次のとおりである:
C: 465〜490 °C
D: 430〜465 °C
E: 415〜445 °C
F: 550〜620 °C
G: 700〜725 °C
H: 535〜565 °C
I: 100〜120 °C
J: 215〜235 °C
【０１６１】
他の実施形態では（図9）、水蒸気改質器（330）内の水蒸気対炭素の比率が4.0:1である場合に、ブタンに富んだLPGで動作しているとき時の主要な流体温度を示す。前述したように、この温度は付加的な加熱を必要とし、この付加的な加熱は電気加熱器400により行う。 
【０１６２】
位置C〜Jでの温度は次のとおりである:
C: 465〜490 °C
D: 430〜460 °C
E: 405〜435 °C
F: 550〜620 °C
G: 700〜725 °C
H: 525〜555 °C
I: 100〜120 °C
J: 205〜225 °C
【０１６３】
図10は、燃料電池スタック層の開放多岐管ガス流入端での酸化剤温度のモデル化の結果を示す。この結果は実験データによって検証されている。Y＝0の場合、最適温度からの顕著な逸脱が見られ、Y＝0.5Xの場合、大幅な改善が見られる。これは、燃料電池スタック組立体の動作及び効率の向上をもたらす。
【０１６４】
図11〜13は、酸化剤流入口120及び酸化剤流入点125の代案の構成を示し、特定の実施形態における電気加熱器400の配置も示す。 
【０１６５】
なお、本発明は上記の実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱しない他の多くの実施形態は、当業者にとって明らかである。
【符号の説明】
【０１６６】
1  燃料電池スタック組立体
10  固体酸化物燃料電池スタック
20  燃料電池スタック層
21  付加的な燃料電池スタック層
30  燃料電池
31  燃料電池のアノード
32  燃料電池の電解質
33  燃料電池のカソード
34  燃料電池の金属基板
35  燃料電池基板の非多孔質領域
36  燃料電池基板の多孔質領域
37  導電性相互接続板
38  電気絶縁ガスケット
40  基板
50  フード
60  フード空間
70  開放多岐管酸化剤流入口
80  開放多岐管端
90  内部多岐管酸化剤流出口
100  内部多岐管燃料流入口
110  内部多岐管燃料流出口
120  酸化剤流入口
125  ガス流入点
130  燃料
130a  排出燃料
130b  より乾燥した排出燃料
140  酸化剤（空気）
140a  排出酸化剤
150  断熱ブロック
160  燃料電池スタックの端板
170  燃料電池スタックの外面
190  フード内面
200  酸化剤熱交換システム（予熱器）
210  酸化剤140の流れ
230  気密断熱バーミキュライトガスケット
240  内側絶縁層
250  外側絶縁層
260  流れ分配装置
270  水
280  水蒸気
290  気体対気体の熱交換器
300  凝縮熱交換器
310  排ガスバーナー
320  バーナーのオフガス
330  水蒸気改質器
340  水蒸気発生器
350  冷却流体の流入
360  冷却流体の流出
400  電気加熱器
410  熱電対
420  制御電子装置
430  電気コネクタ
440  電気コネクタ
450  電気コネクタ
460  送風機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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